电磁转换与磁现象

1、电磁转换与磁现象电磁转换与磁现象黄志高黄志高福建师范大学物理与能源学院福建师范大学物理与能源学院“磁磁”的认识的认识412“电电磁转换磁转换”的认识的认识3磁的应用与现代磁学磁的应用与现代磁学新进展新进展司南司南指南车指南车动物的奥秘动物的奥秘- -磁颗粒的存在与作用磁颗粒的存在与作用脑磁图测量仪脑磁图测量仪-500万个纳米磁性颗粒与人类记忆的关系？万个纳米磁性颗粒与人类记忆的关系？20082008年，美国科学家利用电脑模型和一种实时功能核年，美国科学家利用电脑模型和一种实时功能核磁共振成像扫描仪磁共振成像扫描仪 ，成功对脑神经信号进行解码，成功对脑神经信号进行解码，并确定了一个人刚刚看到的图

2、片，成功率达并确定了一个人刚刚看到的图片，成功率达80%80%以上。以上。 最新科技：最新科技：脑记忆与脑成像？脑记忆与脑成像？地磁场地磁场 “电磁转换电磁转换”的认识的认识- -从中学到大学从中学到大学1Q1Q1：电与磁的理论框架与知识体系？：电与磁的理论框架与知识体系？v1.1 1.1 电生磁电生磁( (电流产生磁场电流产生磁场) )静电静电静磁静磁电生磁电生磁磁生电磁生电电流的磁效应电流的磁效应通电导线能够使小磁针发生偏转通电导线能够使小磁针发生偏转 电流的磁效应：电流通过导体时导体电流的磁效应：电流通过导体时导体周围存在磁场的现象周围存在磁场的现象( (奥斯特实验奥斯特实验) ) 物理

3、本质是：电流能在其周围产生磁场物理本质是：电流能在其周围产生磁场oIRl螺线管产生磁场螺线管产生磁场安培右手定则安培右手定则13大小大小: :与与 r 2 成反比成反比，与与 Idlsin 成正比成正比数学表达式：数学表达式：02dld4rIermp=B方向方向: :与与 的方向一致的方向一致rIld : 在真空中某点在真空中某点P产生的磁场产生的磁场ldIBdPldIBdr02dlsind4Irmqp=Be er rdBdB1 1dBdB2 202Bd4rIdlermp=蝌B任意形状的导电线圈在任任意形状的导电线圈在任意一点所产生磁场的计算意一点所产生磁场的计算一定尺寸和厚度的线圈的磁一定尺

4、寸和厚度的线圈的磁场空间发布如何计算？场空间发布如何计算？以上结果对以上结果对任意任意形状的形状的闭合电流（伸向无限远闭合电流（伸向无限远的电流）均成立的电流）均成立.1I2I3Il 安培环路定理安培环路定理 niiLIlB10 d即在真空的稳恒磁场中，磁感应强度即在真空的稳恒磁场中，磁感应强度 沿任一闭沿任一闭合路径的积分的值，等于合路径的积分的值，等于 乘以该闭合路径所包乘以该闭合路径所包围的各电流的代数和围的各电流的代数和.B0023d()lBlIIm =-法拉第电磁感应定律：电路中感应电动势的大小法拉第电磁感应定律：电路中感应电动势的大小与穿过这一电路磁通量的变化率成正比与穿过这一电路

5、磁通量的变化率成正比1.2 1.2 磁生电（磁场产生电流）磁生电（磁场产生电流）18311831年，法拉第发现：磁场能产生电流年，法拉第发现：磁场能产生电流法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律kteDF=D 法拉第法拉第（Michael Faraday, 1791-1867），伟大的英国物理学），伟大的英国物理学家和化学家。他创造性地提出场家和化学家。他创造性地提出场的思想，磁场这一名称是法拉第的思想，磁场这一名称是法拉第最早引入的。他是电磁理论的创最早引入的。他是电磁理论的创始人之一，于始人之一，于1831年发现电磁感年发现电磁感应现象，后又相继发现电解定律，应现象，后又相继发现电解定律，物

6、质的抗磁性和顺磁性，以及光物质的抗磁性和顺磁性，以及光的偏振面在磁场中的旋转。的偏振面在磁场中的旋转。两个磁生电的典型例子两个磁生电的典型例子感应电流的磁场方向始终阻碍引起感应电流的磁场方向始终阻碍引起感应电流磁通量的变化。感应电流磁通量的变化。楞次定律：楞次定律：电路中感应电流的方向。电路中感应电流的方向。 楞次楞次18041804年年2 2月月2424日诞生于爱沙尼亚日诞生于爱沙尼亚1616岁以优异成绩考入家乡的道帕特大学岁以优异成绩考入家乡的道帕特大学18301830年年被选为圣彼得堡科学院通讯院士，被选为圣彼得堡科学院通讯院士，18341834年选为年选为院士曾长期担任圣彼得堡大学物理

7、数学系主院士曾长期担任圣彼得堡大学物理数学系主任，后来由教授会选为第一任校长任，后来由教授会选为第一任校长 楞次在物理学上的主要成就是发现了电磁楞次在物理学上的主要成就是发现了电磁感应的楞次定律和电热效应的感应的楞次定律和电热效应的焦耳焦耳- -愣次定愣次定律律 18331833年，楞次在圣彼得堡科学院宣读了他年，楞次在圣彼得堡科学院宣读了他的题为的题为“关于用电动力学方法决定感生电流方关于用电动力学方法决定感生电流方向向”的论文，提出了楞次定律亥姆霍兹证明的论文，提出了楞次定律亥姆霍兹证明楞次定律是电磁现象的能量守恒定律楞次定律是电磁现象的能量守恒定律 感应电动势的方向感应电动势的方向NBi

8、ddte= -NB线圈上线圈上移，穿移，穿过线圈过线圈的磁通的磁通量减少，量减少，感应线感应线圈产生圈产生的磁通的磁通量要补量要补偿这个偿这个减少。减少。iteD= -D“楞次定律楞次定律”所涉及的是变化的磁场所涉及的是变化的磁场与感应电流的磁场之间的相互关系，与感应电流的磁场之间的相互关系，是一种是一种“动态场动态场”，并且，并且“静到动静到动”是一个认识上大的飞跃。在中学课程是一个认识上大的飞跃。在中学课程教学中是个难点。教学中是个难点。 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组- -“磁电转换磁电转换”的本质认识的本质认识d0SBs =cd() dlSDHljst =+蝌ddlSBElst= -蝌d

9、dSVDsVqr=蝌方程的积分形式方程的积分形式麦克斯韦电磁场麦克斯韦电磁场（静电）（静电）（静磁）（静磁）（磁生电）（磁生电）（电生磁）（电生磁）0Bt0Dt变化的电场产变化的电场产生涡旋的磁场生涡旋的磁场B变化的磁场产变化的磁场产生涡旋的电场生涡旋的电场结论之一：结论之一：结论之二：预言了电磁波的存在结论之二：预言了电磁波的存在Q2Q2：麦克斯韦方程美在哪里？：麦克斯韦方程美在哪里？1.3 1.3 磁场中电流和电荷的受力磁场中电流和电荷的受力安培力实验安培力实验为什么为什么? ?FBIl=磁场中电流受到的力磁场中电流受到的力安培力安培力大小大小：适用范围：在匀强磁适用范围：在匀强磁场中，场

10、中，通电导线与磁场方向垂直通电导线与磁场方向垂直。方向：左手定则方向：左手定则F FB BI I手心向内，磁场由手手心向内，磁场由手心指向手背，四指指心指向手背，四指指向电流方向，大拇指向电流方向，大拇指代表导线受力方向代表导线受力方向任意形状的导体在电流作用下都会受到任意形状的导体在电流作用下都会受到安培力的作用。作用力等多少？需要积安培力的作用。作用力等多少？需要积分。最简单的是直线情况。分。最简单的是直线情况。dFI Bdl=运动电荷在磁场中的受力运动电荷在磁场中的受力洛伦兹力洛伦兹力FqvB=大小：大小： 方向：右手定则方向：右手定则q qv vFFFF、v v、B B之间是正交的。之

11、间是正交的。B B32B B任意情况下任意情况下带电粒子在磁场中运带电粒子在磁场中运动时所受的力？动时所受的力？- -大学课程大学课程 33+qvBmaxFmaxFBq=v磁感强度大小磁感强度大小运动电荷在磁场中受力运动电荷在磁场中受力FqB=vdFI Bdl=Fq vB=与与安培力和洛仑兹力等效性的讨论安培力和洛仑兹力等效性的讨论dFI BdldqBdldtdlBdqdtBvdq=捶=捶=捶阴极射线管阴极射线管运动电荷在磁场中的受力运动电荷在磁场中的受力 洛伦兹力洛伦兹力回旋加速器回旋加速器回旋加速器：回旋加速器：重点掌握加速的条件：重点掌握加速的条件：交变电压的周期和粒子做交变电压的周期和

12、粒子做圆周运动的周期相等，与圆周运动的周期相等，与速度、轨道半径无关，速度、轨道半径无关， T T=2m/qB=2m/qB。22,mrmvTqvBqBrrp鬃=212n q Um v鬃=质谱仪质谱仪质谱仪是分离各种元素的同质谱仪是分离各种元素的同位素并测量它们质量的仪器，位素并测量它们质量的仪器，它由静电加速器、速度选择它由静电加速器、速度选择器、偏转磁场、显示屏等组器、偏转磁场、显示屏等组成，它的结构原理如图所示。成，它的结构原理如图所示。2mvqvBr=212q Um v =q B rmv鬃=霍尔效应霍尔效应一块长为一块长为l l、宽为、宽为b b、厚为、厚为d d的半的半导体导体薄片薄片

13、置于磁感应强度为置于磁感应强度为B B的的磁场磁场( (磁场方向垂直于薄片磁场方向垂直于薄片) )中。中。如图所示。当有电流如图所示。当有电流 I I 流过时，流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势产生电动势U UH H。这种现象称为。这种现象称为霍霍尔效应尔效应。所产生的电动势称为霍。所产生的电动势称为霍尔电动势。尔电动势。 霍尔式传感器是由霍尔元件霍尔式传感器是由霍尔元件所组成。所组成。/HqUbBqv鬃控制电流控制电流1.4 1.4 关于关于“实验实验理论理论实验实验理理论论”的一般物理学发展模式的认识的一般物理学发展模式的认识 每一个物理学的学科分支

14、，大多数都是先从物每一个物理学的学科分支，大多数都是先从物理现象或实验事实开始，通过逻辑推理提出一定的理现象或实验事实开始，通过逻辑推理提出一定的物理学模型，以解释已有的实验事实，然后拓展实物理学模型，以解释已有的实验事实，然后拓展实验的范围验证该物理模型的合理性，其中可能出现验的范围验证该物理模型的合理性，其中可能出现一些新的现象和实验结果，又要反过来修正物理理一些新的现象和实验结果，又要反过来修正物理理论，如此循环发展，使理论不断完善。论，如此循环发展，使理论不断完善。 以麦克斯韦电磁场理论的建立为例，来挖掘以麦克斯韦电磁场理论的建立为例，来挖掘实验实验理论理论实验检验实验检验的物理实验的

15、思想方的物理实验的思想方法。法。实验实验: : * *在在1717世纪的电磁学研究，认为静电、静磁、光是独立的、世纪的电磁学研究，认为静电、静磁、光是独立的、不相关的。不相关的。 * *奥斯特的电流磁效应奥斯特的电流磁效应 * * 法拉弟电磁感应实验法拉弟电磁感应实验 奥斯特的电流磁效应的发现证实了电与磁之间的联奥斯特的电流磁效应的发现证实了电与磁之间的联系，从而使电磁学进入了一个崭新的发展阶段，法拉第对系，从而使电磁学进入了一个崭新的发展阶段，法拉第对此评论说，此评论说，这一发现打开一个科学领域的大门，那里过这一发现打开一个科学领域的大门，那里过去是一片漆黑，如今充满了光明去是一片漆黑，如今

16、充满了光明。 * *安培在奥斯特实验的基础上，通过设计四个极其精巧的安培在奥斯特实验的基础上，通过设计四个极其精巧的实验，定量地研究了电流之间的相互作用，建立了安培定实验，定量地研究了电流之间的相互作用，建立了安培定则则. .理论理论v18651865年前后，麦克斯韦在奥斯特、法拉第年前后，麦克斯韦在奥斯特、法拉第等人实验工作的基础上关于场的概念，提等人实验工作的基础上关于场的概念，提出了著名的电磁场理论。在这个理论中，出了著名的电磁场理论。在这个理论中，他不仅预言了电磁波的存在，而且预见了他不仅预言了电磁波的存在，而且预见了光也是一种电磁波。麦克斯韦方程把电、光也是一种电磁波。麦克斯韦方程把

17、电、磁和光三者结合在一起，其方程的对称和磁和光三者结合在一起，其方程的对称和完善备受人们赞尝，具有划时代的意义。完善备受人们赞尝，具有划时代的意义。实验实验 2020年后，赫兹的实验证实了电磁波的年后，赫兹的实验证实了电磁波的存在，并证实了它的传播速度就是光存在，并证实了它的传播速度就是光速，从而有力地证实了麦克斯韦的电速，从而有力地证实了麦克斯韦的电磁场理论。磁场理论。总结：总结： 从简单到复杂从简单到复杂- -直线到任意形状直线到任意形状 引入微积分引入微积分( (d)d)（高等数学）（高等数学） 关于关于“实验实验理论理论实验实验 理论理论”的一般物理学发展模式的一般物理学发展模式 的认

18、识。的认识。Q3Q3：你对：你对“实验实验理论理论实验实验 理论理论”的一般物理学发展模式的理解？的一般物理学发展模式的理解？ “ “磁磁”的认识的认识2铁屑显现磁场分布铁屑显现磁场分布 条形磁铁周围的磁场条形磁铁周围的磁场NSv磁与磁场的描述磁与磁场的描述磁极磁极(N(N和和S S极极) )物质磁性的起源：物质磁性的起源：N NS分子电流分子电流一个分子电流相对于一个基元磁铁一个分子电流相对于一个基元磁铁Bo磁化电流磁化电流物质的磁性主要来源于组成物质中原子的磁性物质的磁性主要来源于组成物质中原子的磁性: :1- 1- 原子中外层电子的轨道磁矩（原子中外层电子的轨道磁矩（电子的电荷特性电子的

19、电荷特性）2- 2- 电子的自旋磁矩电子的自旋磁矩（电子的自旋特性电子的自旋特性）S Ss sl lil ls s= =+ +原子磁矩：原子磁矩：-它是产生磁性的基础它是产生磁性的基础3d3d过度金属的电子结构过度金属的电子结构- -原子磁矩（净自旋）原子磁矩（净自旋）元元素素原子序原子序数数21222324252627282930元素名元素名ScTiVCrMnFeCoNiCuZn磁性磁性顺顺顺顺顺顺反反反反铁铁铁铁铁铁反反反反电电子子的的壳壳层层结结构构壳层结壳层结构构3d4s23d24s23d34s23d54s13d24s23d64s23d74s23d84s23d104s13d104s23

20、d电子电子数及自数及自旋排布旋排布4s壳层壳层电子数电子数22212222121s1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p6 63d3d10104s4s2 24p4p6 64d4d10104f4f1616原子壳层结构：原子壳层结构：物质磁性分类的原则物质磁性分类的原则 A.是否有固有原子磁矩？是否有固有原子磁矩？ B.是否有相互作用？是否有相互作用？ C.是什么相互作用？是什么相互作用？ 1. 抗磁性：没有固有原子磁矩抗磁性：没有固有原子磁矩 2. 顺磁性：有固有原子磁矩，没有相互作用顺磁性：有固有原子磁矩，没有相互作用 3. 铁磁性：有固有原子磁矩，直接交换相互作用铁磁性

21、：有固有原子磁矩，直接交换相互作用 4. 反铁磁性：有原子磁矩，直接交换相互作用反铁磁性：有原子磁矩，直接交换相互作用 5. 亚铁磁性：有原子磁矩，间接交换相互作用亚铁磁性：有原子磁矩，间接交换相互作用物质磁性：物质磁性： 固有原子磁矩固有原子磁矩+相互作用相互作用=自旋有序化排列自旋有序化排列+一些典型的铁磁性材料一些典型的铁磁性材料二十世纪八十年二十世纪八十年代称为第三代稀代称为第三代稀土永磁材料。土永磁材料。 稀土永磁合金稀土永磁合金Re-CoRe-Co永永磁稀土磁稀土CoCo永磁永磁铁基稀土永磁型铁基稀土永磁型NdNd2 2FeFe1414B B合金为代表的合金为代表的Re-Fe-BR

22、e-Fe-B系永磁材料系永磁材料1:51:5型型Re-CoRe-Co磁磁体体SmCoSmCo5 5单相与单相与多相合金多相合金第一代稀土永第一代稀土永磁；二十世纪磁；二十世纪六十年代六十年代2:172:17型型Re-CoRe-Co磁体磁体SmSm2 2CoCo1717基合金基合金二十世纪七十二十世纪七十年代年代; ;第二代稀第二代稀土永磁土永磁总结：总结： 从磁现象到磁本质的认识从磁现象到磁本质的认识- -从中学到大学从中学到大学Q4Q4：关于电与磁中学与大学知识的区别与联系？：关于电与磁中学与大学知识的区别与联系？ 磁的应用与现代磁学新进展磁的应用与现代磁学新进展3磁学磁学原子核原子核物理学

23、物理学基本粒基本粒子物理子物理微波电微波电子学子学电力学电力学化学化学岩石学岩石学生物学生物学天文学天文学地球物地球物理学理学力学力学磁流体磁流体力学力学微波磁微波磁力学力学磁电力学磁电力学岩石磁学岩石磁学生物磁学生物磁学天体磁学天体磁学地球磁学地球磁学磁化学磁化学基本粒基本粒子磁学子磁学原子核原子核磁学磁学v3.13.1磁记录与磁存储磁记录与磁存储v记录原理：变化的磁场将磁盘片上的磁粉层记录原理：变化的磁场将磁盘片上的磁粉层磁化，小颗粒的磁化，小颗粒的磁畴有序排列磁畴有序排列。当电流消失。当电流消失之后，磁记录介质的磁粉层处于之后，磁记录介质的磁粉层处于剩磁剩磁状态。状态。磁盘磁记录磁盘磁记

24、录 磁记录原理简化图磁记录原理简化图 只要外加的正向脉冲电流只要外加的正向脉冲电流( (即外加即外加磁场磁场) )幅度足够大，那么在电流消幅度足够大，那么在电流消失后磁感应强度失后磁感应强度B B并不等于零，而并不等于零，而是处在是处在+Br+Br状态状态( (正剩磁状态，规定正剩磁状态，规定 “1 1”状态状态) )。当外加负向脉冲电流时，磁感应强当外加负向脉冲电流时，磁感应强度度B B将处在将处在-Br-Br状态状态( (负剩磁状态，负剩磁状态，规定规定 “ “0 0”状态状态) )。磁性材料上呈现剩磁状态的地方形磁性材料上呈现剩磁状态的地方形成了一个成了一个磁化单元磁化单元或或存储元存储

25、元，它是，它是记录一个二进制信息位的最小单位。记录一个二进制信息位的最小单位。“1”“1”“0”“0”读出原理：磁头的线圈扫过磁化的磁粉层，读出原理：磁头的线圈扫过磁化的磁粉层，切切割磁感线产生感应电动势割磁感线产生感应电动势，感应电动势有正有，感应电动势有正有负，对应于信号负，对应于信号“0”0”或或“1”1”。非磁层非磁层磁层磁层1 1磁层磁层2 2磁性随机存储器磁性随机存储器结构结构: :原理原理: :记录介质记录介质优点：断电时存储的信息不丢失优点：断电时存储的信息不丢失不同电子自旋排列表示不同电子自旋排列表示“0”0”和和“1”1”Write “ 0 ”Write “ 0 ”Writ

26、e “ 1 ”Write “ 1 ”FM(Co(001)(Al-O)1S2S上下自旋平行时电子容易通过上下自旋平行时电子容易通过-低电阻态（低电阻态（0 0状态状态）上下自旋反平行时电子被散射上下自旋反平行时电子被散射高电阻态（高电阻态（1 1状态状态）FM(Ni-Fe)NM(Cu(001)巨磁电阻效应巨磁电阻效应磁性存储器磁性存储器巨磁阻硬盘磁头巨磁阻硬盘磁头由此产生一门新兴学科由此产生一门新兴学科-自旋电子学自旋电子学 自旋自旋自旋自旋年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖法国科学家阿尔贝法国科学家阿尔贝费尔和德国科学家彼得费尔和德国科学家彼得格林贝格尔因发现巨磁电阻格林贝格尔因发现巨磁电阻效应

27、而荣获效应而荣获20072007年诺贝尔物理学奖。巨磁电阻效应相关技术被用于读取硬年诺贝尔物理学奖。巨磁电阻效应相关技术被用于读取硬盘中数据，这项技术是最近几年硬盘小型化实现过程中的关键。盘中数据，这项技术是最近几年硬盘小型化实现过程中的关键。费尔和格林贝格尔费尔和格林贝格尔19881988年各自独立发现了一种全新的物理效应年各自独立发现了一种全新的物理效应- -巨磁电巨磁电阻效应，即一个微弱的磁场变化可以在巨磁电阻系统中产生很大的电阻变阻效应，即一个微弱的磁场变化可以在巨磁电阻系统中产生很大的电阻变化。该系统非常有助于从硬盘中读取数据，因为机器在读取数据时必须把化。该系统非常有助于从硬盘中读

28、取数据，因为机器在读取数据时必须把用磁记录的信息转换成电流。用磁记录的信息转换成电流。19971997年首个应用巨磁电阻效应的读取头研制年首个应用巨磁电阻效应的读取头研制成功，很快成为标准技术，即便今天最新的读取技术也均由巨磁电阻效应成功，很快成为标准技术，即便今天最新的读取技术也均由巨磁电阻效应发展而来。发展而来。 石墨烯石墨烯材料具有特殊的磁学性质材料具有特殊的磁学性质20102010年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖- -石墨烯的石墨烯的“突破性实验突破性实验” 安德烈安德烈- -盖姆盖姆康斯坦丁康斯坦丁- -诺诺沃肖洛夫沃肖洛夫v3.23.2磁悬浮列车磁悬浮列车磁悬浮列车悬浮原理磁悬浮列车悬浮原理磁铁从金属导轨上通过，金属导轨切割磁感线产生感应磁